Hochspannungs-LeistungsschalterSystem

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungs-Leistungsschalter system nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Für die Fehlerklärung in Hoch- und Höchstspannungsnetzen, al so bei Spannungen über 110 Kilovolt in Freileitungen sind so genannte Kurzunterbrecher definiert. Sollte ein Kurzschluss beispielsweise durch einen umfallenden Baum, einen herabfal lenden Ast oder durch einen großen Vogel hervorgerufen wer den, kommt es innerhalb von kürzester Zeit durch den Schalter zu einer Unterbrechung des Kurzschlussstromes. Der Leistungs schalter schaltet dabei in einer Zeit von ca. 300 Millisekun den ab und trennt somit den Bereich, in dem der Kurzschluss auftritt, vom übrigen Netz. Da sich derartige Kurzschlüsse häufig selbst regenerieren, da beispielsweise das den Kurz schluss erzeugende Element abgebrannt ist, wird nach einer definierten Zeit, die in der Regel weniger als eine Sekunde beträgt, der Leistungsschalter wieder geschlossen. Wird dabei festgestellt, dass der Kurzschluss nicht mehr auftritt, bleibt der Leistungsschalter geschlossen. Sollte der Kurz schluss immer noch bestehen, muss in sehr kurzer Zeit, also ebenfalls in ca. 300 Millisekunden, der Schalter wieder ge öffnet werden, um weitere Schäden am Netz zu verhindern. Die se Öffnung bleibt dann vorerst stationär, bis die Ursache ma nuell behoben ist. Eine derartige Funktionalität, die in der Regel den Vorgaben des Netzbetreibers entspricht, nennt man Open-Close-Open-Funktionalität, abgekürzt O-C-O.

Herkömmliche Leistungsschalter im Hochspannungsnetz haben für diese O-C-O-Funktionalität Federspeicherantriebe, durch die ein Ein- und wieder Ausschalten realisiert werden kann. Dabei wird bei der Schalthandlung jeweils ein Federspeicher ausge löst und der andere Federspeicher dabei gespannt, bei der nächsten Schalthandlung wird dieser Auslöse-Spannvorgang um gekehrt. Diese Bauart ist zwar weit etabliert, ihre Umsetzung bedarf jedoch jeweils eines relativ hohen mechanischen Auf wandes. Außerdem ist der Auslösemechanismus für jede Öff- nungs- bzw. Schließhandlung technisch komplex.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Leistungs schaltersystem für eine Hochspannungsanwendung bereitzustel len, der die Open-Close-Open-Funktionalität aufweist, und da bei gegenüber dem Stand der Technik ein technisch weniger aufwendiges Antriebssystem aufweist.

Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Hochspannungs- Leistungsschaltersystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs

1.

Der erfindungsgemäße Hochspannungs-Leistungsschaltersystem mit einer Kurzunterbrecherfunktion, die in einer Öffnungs-, Schließ- und erneuten Öffnungsbewegung eines Kontaktsystems resultiert, umfasst eben dieses Kontaktsystem, das mit einem Antriebssystem mechanisch in Verbindung steht. Dabei weist das Antriebssystem ein Antriebsaggregat auf. Neben dem An triebsaggregat umfasst das Antriebssystem ferner eine An triebswelle, die in Form einer Kurbelwelle ausgestaltet ist. Diese Kurbelwelle ist über eine Schubstange mit einem Beweg kontakt des Kontaktsystems verbunden. Ferner zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass der Zyklus der Öffnungs-, Schließ- und erneuten Öffnungsbewegung des Kontaktsystems durch eine unidirektionale Drehbewegung der Kurbelwelle er folgt.

Im Gegenzug zu den herkömmlich verwendeten Federspeicheran trieben besteht der Vorteil der Erfindung darin, dass über die Kurbelwelle eine Antriebseinheit in einer unidirektiona- len Drehbewegung bei einer Umdrehung einer Welle den gefor derten Öffnungs-, Schließ- und weiteren Öffnungsvorgang voll ziehen kann. Durch diese Konstruktion ist es möglich, einfa che Antriebsaggregate in Anwendung zu bringen, beispielsweise Elektromotoren oder Spiralfedern. Dies reduziert den techni schen Aufwand bei der Konstruktion der Antriebseinheit erheb- lieh. Durch den reduzierten technischen Aufwand lassen sich die entsprechenden Antriebseinheiten auch kostengünstiger darstellen .

Eine Kurbelwelle ist eine Welle mit einer oder mehreren Kur beln, die bezüglich einer Drehachse der Welle eine exzentri sche Drehbewegung beschreiben. An den Kurbeln kann eine

Schubstange oder Pleuelstange befestigt sein, wodurch eine Drehbewegung der Kurbelwelle in eine translatorische Bewegung umgewandelt wird. Eine Kurbel kann ein herkömmlicher längli cher Hebel sein, eine Kurbel kann aber auch in Form einer Ex tenderscheibe ausgestaltet sein.

Eine Kurzunterbrecherfunktion eines Leistungsschalters be steht darin, bei einem Kurzschluss die Stromleitung für kurze Zeit, in der Größenordnung von weniger als einer halben Se kunde zu öffnen, sie für einen ähnlichen Zeitraum wieder kurzzuschließen, worauf eine Überprüfung eines noch vorlie genden Kurzschlusses möglich ist und erneut wieder zu öff nen, falls noch ein Kurzschluss anliegt. Sollte sich der Kurzschluss während des ersten Unterbrecherintervalls behoben haben, so bleibt der Leistungsschalter in der geschlossenen Position stehen.

Unter dem Begriff mechanisch in Verbindung stehen wird ver standen, dass zur Übertragung einer Kraft, eines Impulses o- der einer Aktion zwischen zwei Systemen eine mechanische Ver bindung besteht, die beispielsweise über bewegliche Verbin dungen wie Lager oder Gelenke, aber auch über feste Verbin dungen wie stoffschlüssige oder Kraftschlüssige Verbindungen oder aus Kombinationen aus beweglichen und festen Verbindun gen erfolgen kann.

In einer Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Kurbelwelle in der Art ausgebildet, dass ausgehend von einer Schließposi tion des Kontaktsystems zu einer Öffnungsposition des Kon taktsystems eine unidirektionale Drehbewegung vollzogen wird, die bezüglich ihrer Drehachse zwischen 150° und 210° liegt. Grundsätzlich ist bei der Anwendung einer Kurbelwelle eine Drehbewegung von 180° zwischen der Schließposition und der Öffnungsposition vorteilhaft. Durch geometrische Anforderun gen bzw. unter Berücksichtigung von Öffnungs- bzw. Schließ zeiten kann die optimale Drehbewegung für den Öffnungsvorgang in einem Bereich liegen, der von 180° abweicht, also zwischen 150° und 210° liegt.

In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung ist die Kurbelwelle so ausgestaltet, dass für den Zyklus Öffnungs-, Schließ- und erneute Öffnungsbewegung des Kontaktsystems eine unidirektionale Drehbewegung bezüglich der Drehachse der Kur belwelle vollzogen wird, die zwischen 350° und 360° plus 10° liegt. Auch hier ist es wieder zweckmäßig, dass für den ge samten Zyklus grundsätzlich eine Drehbewegung der Kurbelwelle von 360° stattfindet. Grundsätzlich kann aber durch eine Überdrehung bzw. Unterdrehung, das heißt also 10° weniger als 360° oder 10° mehr als 360° beispielsweise ein erhöhter oder erniedrigter Anpressdruck zwischen Kontakten des Kontaktsys tems vollzogen werden.

Die Kurbelwelle ist bevorzugt in der Art ausgestaltet, dass an einer Kurbel ein bezüglich der Drehachse exzentrischer Kurbelzapfen angeordnet ist, der bei der Drehbewegung der Kurbelwelle eine kreisförmige Bewegung um die Drehachse der Kurbelwelle beschreibt. Dabei ist es auch zweckmäßig, dass dieser Kurbelzapfen parallel zur Drehachse ausgerichtet ist. Im Weiteren kann der Kurbelzapfen von einem Gleitlager der Schubstange umfasst sein, somit ist die Kraftübertragung und die Umwandlung der Drehbewegung in einer translatorischen Be wegung gewährleistet.

In einer weiteren Ausgestaltungsform weist die Kurbelwelle mindestens zwei Kurbeln, bevorzugt drei Kurbeln, auf, was den Vorteil hat, dass durch eine Antriebswelle, also durch die Kurbelwelle und durch einen Antrieb mehrere Leistungsschalter gleichzeitig betrieben werden können. Bei dem Begriff zwei bzw. drei Kurbeln wird bauartbedingt darunter verstanden, dass mindestens zwei oder drei Zapfen vorhanden sind, die je weils von einem Paar von Kurbeln eingefasst sind und in einem exzentrischen Abstand zur Drehachse der Kurbelwelle rotieren. Die Begriffe Kurbel und Kurbelpaar haben dabei äquivalente Bedeutung, da bei Anwendung von mehr als einer Kurbel bzw. Kurbelpaar und einer Drehbewegung von nahezu oder mehr als 360° zwangsläufig Kurbelpaare erforderlich sind um die Dreh bewegung der Schubstange nicht zu blockieren.

In einer weiteren Ausgestaltungsform weisen diese drei Kur beln bzw. Kurbelpaare unterschiedliche rotatorische Richtun gen bezüglich der Rotationsachse der Kurbelwelle auf. Bevor zugt zeigt die erste Kurbel bzw. das erste Kurbelpaar in eine Richtung, das zweite Kurbelpaar in eine zweite Richtung, die in der Größenordnung von 180° zur ersten Kurbel versetzt ist. Die dritte Kurbel weist dabei wieder bevorzugt in die Rich tung der ersten Kurbel. Auf diese Weise können drei Leis tungsschalter einerseits durch eine gemeinsame Kurbelwelle und durch einen gemeinsamen Antrieb betrieben werden, es ist zudem möglich, durch die versetzte Bauart der Kurbeln die Leistungsschalter näher aneinanderzurücken, da sie versetzt angeordnet sind, was in etwa einer Dreiecksanordnung der Leistungsschalter resultiert. Auf diese Weise kann sehr viel Bauraum bei der Unterbringung der Leistungsschalter einge spart werden.

Weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung und weitere Merk male werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Da bei handelt es sich um rein exemplarische, sehr schematische Darstellung, die das Grundprinzip der Ausgestaltung näher er läutern sollen. Dies sind schematische Darstellungen, die keine Einschränkung des Schutzbereichs darstellen.

Dabei zeigen:

Figur 1 ein Hochspannungs-Leistungsschaltersystem mit einem Kontaktsystem und einem Antriebssystem, wobei zur Übertragung der Antriebsenergie auf das Kontaktsystem eine Kurbelwelle Anwendung findet. Figur 1 zeigt das Kontaktsystem im ge schlossenen Zustand,

Figur 2 Hochspannungs-Leistungsschaltersystem aus Fi gur 1 mit gedrehter Kurbelwelle und geöffnetem Zustand des Kontaktsystems ,

Figur 3 das Hochspannungs-Leistungsschaltersystem ge mäß Figur 1 wieder im geschlossenen Zustand nach einer Drehung der Kurbelwelle von ca. 180°,

Figur 4 das Hochspannungs-Leistungsschaltersystem in der gleichen Position wie in Figur 2 nach ei ner Drehung von 360° der Kurbelwelle,

Figur 5 eine Reihe von Hochspannungs-Leistungs

schaltersystemen für drei Phasen, die durch ein Antriebssystem mit einem Antrieb und einer Kurbelwelle angetrieben werden,

Figur 6 ein Hochspannungs-Leistungsschaltersystem mit einer Kurbelwelle, die eine Exzenterscheibe als Kurbel aufweist,

Figur 7 eine Zeitachse zur Veranschaulichung des Öff- nungs- und Schließzyklus,

Figur 8 einen Querschnitt durch eine Kurbelwelle ent lang einer Kurbel und eine daran angebrachte Schubstange,

Figur 9 eine Draufsicht auf eine Anordnung von drei

Hochspannungs-LeistungsschalterSystem, analog zu Figur 5 mit jedoch bezüglich der Drehachse rotatorisch versetzt angeordneten Kurbeln, Figur 10 einen Hochspannungs-Leistungsschaltersystem mit einer Antriebsmechanik nach dem Stand der Technik .

In Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines Hochspan nungs-Leistungsschaltersystems gegeben, der ein Kontaktsystem 4 aufweist, das in einem Gehäuse 42 angeordnet ist. Das Ge häuse 42 ist dabei grundsätzlich gasdicht ausgestaltet, es kann innerhalb des Gehäuses ein Isoliergas vorliegen, das beispielsweise Schwefelhexafluorid oder ein Fluorketon bzw. ein Fluornitril sein kann. Das Isoliergas kann jedoch auch synthetische, gereinigte Luft sein. Der Leistungsschalter 2 kann dabei auch eine Vakuumröhre umfassen. Das Kontaktsystem 4 weist dabei einen Festkontakt 44 und einen Bewegkontakt 14 auf. Der Bewegkontakt 14 ist mit einem Kontaktbolzen 40 ver bunden, der wiederum mechanisch über eine Schubstange 12 mit einer Kurbelwelle 10 in Verbindung steht. Die Schubstange 12 kann beispielsweise in Form eines herkömmlichen Pleuel ausge staltet sein. Dabei weist die Schubstange 12 in dieser Ausge staltung an ihren Enden jeweils ein Gleitlager 38 bzw. 40 auf, wobei das Gleitlager 38 an einem Zapfen 34 befestigt ist, der Teil der Kurbelwelle 10 ist. Der Zapfen 34 wird durch zwei Kurbeln 32 eingerahmt, die die exzentrische Anord nung des Zapfens 34 von einer Drehachse 30 der Kurbelwelle 10 bewirken. Die Kurbelwelle 10 wiederum ist Teil eines An triebssystems 6, das neben der Kurbelwelle 10 eine Antriebs einheit 8 umfasst. Bei der Antriebseinheit 8 können verschie dene Antriebstechniken zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann ein Elektromotor den Antrieb gewährleisten, es können jedoch auch Spiralfedern eingesetzt werden. Die Kurbelwelle 10 ist dabei in Lagern 48 gelagert.

Das Antriebsaggregat 8 ist dabei so ausgestaltet, dass es sich in eine Drehrichtung 16 bewegt, sodass ebenfalls die Kurbelwelle 10 eine unidirektionale Drehbewegung entlang des Pfeiles 16 vollzieht. Wenn sich diese Drehbewegung 16 um die Drehachse 30 der Kurbelwelle 10 einmal um 360° vollzieht, führt das, wie in den Figuren 2, 3 und 4 dargestellt ist, zu- nächst zu einer Öffnungsbewegung entlang des Pfeiles 20 gemäß Figur 2, wobei für die maximale Öffnungsweite des Kontaktsys tems 4 also die maximale Bewegung des Bewegkontaktes 4 eine 180°-Drehbewegung der Kurbelwelle 10 entlang der Drehrichtung 16 erfolgt. In diesem Fall gemäß Figur 2 ist das Kontaktsys tem 4 maximal geöffnet und es erfolgt eine weitere Drehbewe gung der Kurbelwelle 10, bevorzugt ohne Unterbrechung, in dieselbe Richtung, wobei sich das Kontaktsystem 4 entlang des Pfeiles 22 wieder schließt, in diesem Fall hat die Kurbelwel le 10 eine Drehbewegung von 360° vollzogen.

Sollte sich hierbei herausgestellt haben, dass die Ursache für den Kurzschluss weiterhin besteht, so gibt eine hier nicht dargestellte Auslöseeinheit das Signal für eine weitere 180°-Bewegung der Kurbelwelle 10, was gemäß Figur 4 entlang des Pfeiles 24 eine weitere Öffnungsbewegung bedeutet. An dieser Stelle gemäß Figur 4 ist der Zyklus, der einen Öff- nungs-, Schließ- und erneuten Öffnungsvorgang beinhaltet, be endet. Der Hochspannungs-Leistungsschalter 2 bleibt an dieser Stelle zunächst geöffnet.

In Figur 7 ist dieser Zyklus entlang einer Zeitachse schema tisch veranschaulicht. Zum Zeitraum vor und zum Zeitpunkt To liegt kein Kurzschluss bzw. eine anderweitige Bestätigung des Netzes vor, sodass der Hochspannungs-Leistungsschalter 2 in seiner Grundstellung geschlossen vorliegt.

Zum Zeitpunkt To kommt es zu einem Auslöseereignis , das durch eine Auslöseeinheit hervorgerufen wird, und der Leistungs schalter 2 wird entsprechend der Figur 2 bis zum Zeitpunkt Ti in eine offene Position, die mit 0 gekennzeichnet ist, ge führt. Dieser Zeitabschnitt dauert in etwa 300 Millisekunden. Für einen weiteren Zeitraum, der zwischen 100 Millisekunden und einer Sekunde liegen kann, wird der Schalter wieder gemäß Figur 3 geschlossen, dies liegt zum Zeitpunkt T2 vor. Sollte das kurzschlussverursachende Ereignis weiter vorliegen, kommt es zu einer weiteren Öffnungsbewegung bis zum Zeitpunkt T ₃ , gemäß Figur 4. In Figur 5 ist eine Leistungsschaltersystem 2 dargestellt, in der drei Leistungsschalter 3 nebeneinander angeordnet sind und durch eine Antriebssystem 6 gemeinsam angetrieben werden. Die Kurbelwelle 10 gemäß Figur 5 weist dabei drei Kurbeln 32 auf, die jeweils mit einem Leistungsschalter 3 in Verbindung stehen .

Bei den drei Leistungsschaltern 3 handelt es sich um Schalter für die einzelnen Phasen eines Stromnetzes, durch die in dem Leistungsschaltersystem 2 mit einem Antriebssystem 6 gleich zeitig geschaltet werden können. Die Abläufe der Drehbewegung entlang des Pfeiles 16 entsprechen dem, was bezüglich der Fi guren 1 bis 4 beschrieben ist.

In Figur 6 ist ein analoges Leistungsschaltersystem 2 darge stellt, das grundsätzlich die gleichen Bewegungsabläufe voll zieht, wie dies bereits bezüglich der Figuren 1 bis 4 be schrieben ist. Das System 2 unterscheidet sich jedoch in der Form der Kurbelwelle 10, wobei die Kurbel 32 der Kurbelwelle 10 in Form einer Exzenterscheibe ausgestaltet ist und an ei nem Ende der Kurbelwelle 10 angeordnet ist. In diesem Fall wird nur eine Kurbel 32 und kein Kurbelpaar benötigt, der Kurbelzapfen 34 ist an der Kurbel 32 in Form einer Exzenter scheibe ohne Gegenlagerung in einer zweiten Kurbel angeord net .

In Figur 8 ist ein Querschnitt durch eine Kurbelwelle 10 im Bereich des Kurbelzapfen 34 zwischen zwei Kurbeln 32 darge stellt. Dabei ist gezeigt, wie das Gleitlager 38, das wiede rum mit einer Schubstange 12 verbunden ist, um den Kurbelzap fen 34 herum angeordnet ist. Es ist in Figur 8 auch ersicht lich, wie der Kurbelzapfen 34 exzentrisch zur Drehachse 30 eine Drehbewegung 36 beschreibt und dabei unidirektional eine Drehung um zunächst 360° zum Öffnen und Schließen und an schließend ggf. um weitere 180° vollziehen kann. Das Ende der Schubstange 12, das mit einem weiteren Gleitlager (siehe Fi- gur 1 Bezugszeichen 46) versehen ist, liegt im Eingriff mit dem Kontaktbolzen 40, was hier nicht näher dargestellt ist.

In Figur 10 ist schließlich eine Darstellung eines Antriebs- mechanismus eines Hochspannungs-Leistungsschaltersystems ge mäß des Standes der Technik gegeben. Die Merkmale, die die selbe Benennungen wie in den vorausgehenden Figuren aufwei sen, werden mit demselben Bezugszeichen und einem dahinter folgenden Strich versehen. Auch ein derartiges Leistungs- schaltersystem weist ein Kontaktsystem 4 ' auf, das einen Festkontakt 44 ' sowie einen Bewegkontakt 14 ' umfasst, der wiederum mit einem Kontaktbolzen 40' in Wirkverbindung steht. Das Kontaktsystem 4' ist von einem Gehäuse 42' umgeben. Der Unterschied zu der vorangegangenen Beschreibung besteht da- rin, dass der Zyklus Öffnen-Schließen und erneutes Öffnen, der durch die Pfeile 20', 22' veranschaulicht ist, durch ei nen komplexen Federmechanismus ausgestaltet ist, wobei zwei Federspeicher 50-1 und 50-11 über eine Kipphebel 52 verbunden sind, was hier sehr schematisch dargestellt ist. Der Kipphe- bei 52 bewirkt, dass beim Öffnen des Kontaktsystems 4 ' ein Federspeicher 50-1 entspannt wird und dabei im Gegenzug der Federspeicher 50-11 gespannt wird. Dieser Vorgang kehrt sich bei einer weiteren Öffnungs- bzw. Schließbewegung um. Hierbei handelt es sich um eine ausgesprochen komplexe mechanische Anordnung, die durch die technisch einfachere Ausgestaltungs form der beschriebenen Kurbelwelle 10 alternativ umgesetzt werden kann.

Bezugszeichenliste

2 Hochspannungs-LeistungsschalterSystem

3 Leistungsschalter

4 Kontaktsystem

6 Antriebssystem

8 Antriebsaggregat

10 Kurbelwelle

12 Schubstange

14 Bewegkontakt

16 unidirektionale Drehbewegung

20 Öffnen

22 Schließen

24 Erneutes Öffnen

26 Schließposition

28 Öffnungsposition

30 Drehachse

32 Kurbel

34 Befestigungszapfen

36 kreisförmige Drehbewegung

38 Gleitlager

40 Kontaktbolzen

42 Gehäuse

44 Festkontakt

46 zweites Gleitlager

48 Kurbelwellenlager

50 Federspeicher

52 Kipphebel